發(fā)布時(shí)間：2020-04-14所屬分類：科技論文瀏覽：1次
摘 要： 高精度的三維微納制造技術(shù)是現(xiàn)代光電子學(xué)和微納光子學(xué)發(fā)展的重要基礎(chǔ)之一,是實(shí)現(xiàn)下一代微納光子集成器件的重要前提.納米尺度的剪紙和折紙技術(shù)由于能夠?qū)崿F(xiàn)豐富的三維形變,正發(fā)展成為一門新興的研究領(lǐng)域.本文系統(tǒng)地介紹了一種新型的片上三維微納加工方法基于
高精度的三維微納制造技術(shù)是現(xiàn)代光電子學(xué)和微納光子學(xué)發(fā)展的重要基礎(chǔ)之一,是實(shí)現(xiàn)下一代微納光子集成器件的重要前提.納米尺度的剪紙和折紙技術(shù)由于能夠?qū)崿F(xiàn)豐富的三維形變,正發(fā)展成為一門新興的研究領(lǐng)域.本文系統(tǒng)地介紹了一種新型的片上三維微納加工方法—基于聚焦離子束的納米剪紙/折紙技術(shù).該技術(shù)利用聚焦離子束輻照具有不同拓?fù)湫蚊驳淖灾文て?可實(shí)現(xiàn)優(yōu)于50nm精度、前所未見的三維形狀變換,包括片上、實(shí)時(shí)的多向折疊、彎曲、扭曲等形變.提出了“樹型”納米剪紙和“閉環(huán)”納米剪紙兩種類型的加工方法,并針對不同類型的工藝特性和優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析對比.利用全局掃描納米剪紙技術(shù)制備的閉環(huán)納米結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了獨(dú)特的光學(xué)效應(yīng),包括超光學(xué)手性、超構(gòu)表面衍射、相位和偏振調(diào)控以及光子自旋霍爾效應(yīng)等.研究結(jié)果表明,納米剪紙/折紙形變技術(shù)在保持結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和功能性的同時(shí),可實(shí)現(xiàn)高精度、原位、片上、一步成型的三維微納加工,可望為三維微納光子器件的設(shè)計(jì)、制備和應(yīng)用提供一類新的設(shè)計(jì)方法和技術(shù)途徑,乃至為相關(guān)微納光學(xué)、微電子、微機(jī)電系統(tǒng)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的發(fā)展提供新穎的加工平臺(tái).
關(guān)鍵詞：三維微納制造,納米剪紙,聚焦離子束,光學(xué)手性
1引 言
剪紙藝術(shù)是我國古老的傳統(tǒng)民間藝術(shù)瑰寶,以一把剪刀,一張薄紙,即可傳遞創(chuàng)作者的美好寓意.其發(fā)展源頭可追溯到《史記》中所記載,西周初期周成王(公元前1055—1021年)將梧桐葉剪成“圭”狀作為信物賜其弟并封侯,史稱“桐葉封弟”[1].自東漢蔡倫于公元105年改進(jìn)造紙術(shù)后,紙張開始普及,符合民情風(fēng)俗的剪紙藝術(shù)便隨之在民眾中產(chǎn)生[2].目前中國發(fā)現(xiàn)最早的剪紙文物是公元386—581年期間的“北朝對馬團(tuán)花剪紙”[1],其復(fù)原圖的精妙及復(fù)雜程度令人驚嘆,如圖1所示.隨著時(shí)代更迭,具有自身獨(dú)特魅力的剪紙藝術(shù)被視為民族文化中的一塊活化石流傳至今.
然而,早期的人們并沒有關(guān)注到剪紙藝術(shù)中所包含的科學(xué)思想,直到剪紙文化于公元6世紀(jì)傳播到日本后[3],才被人們作為一門獨(dú)特的技術(shù)得到詳細(xì)的記錄和不斷的發(fā)展,形成更為豐富的表達(dá)形式和科學(xué)延伸[4].在西方,剪紙和折紙最早是作為儀式的象征符號(hào)獨(dú)立發(fā)展起來的,并于15世紀(jì)作為禮物、裝飾、藝術(shù)品等在社會(huì)名流間盛行起來.1962年FlorenceTemko根據(jù)剪紙的日語發(fā)音(kiri意為“剪”,gami意為“紙”),在書籍《Kirigami,theCreativeArtofPapercutting》中用“kirigami”一詞命名剪紙并被廣泛使用[5],與剪紙相對應(yīng)的還有折紙藝術(shù)的英文名稱“origami”,同樣源于日語(ori意為“折”),導(dǎo)致很多學(xué)者認(rèn)為剪紙藝術(shù)起源于日本.需要說明的是,剪紙分為圖形剪裁和結(jié)構(gòu)形變兩步,而折紙一般不包含剪裁部分,為介紹方便,在本文中統(tǒng)稱這兩類技術(shù)或方法為剪紙.
自2010年以來,剪紙技術(shù)作為一種新穎的三維加工方式被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、醫(yī)療、微電子、聲學(xué)、光學(xué)等領(lǐng)域[6?12],并在各個(gè)空間尺度得到了開拓性的發(fā)展,比如外太空飛行器的太陽能帆板折疊技術(shù)[10]、微納機(jī)電系統(tǒng)[7]、生物醫(yī)學(xué)設(shè)備[12]以及微納米級(jí)機(jī)械和光子材料[6,8,9,13,14].而隨著現(xiàn)代材料和制造領(lǐng)域的飛速發(fā)展,剪紙技術(shù)近年來在三維微納加工領(lǐng)域也具有較大的發(fā)展空間[15?18].這項(xiàng)技術(shù)無需多層平面堆疊工藝所要求的精準(zhǔn)拼接[19],也不需要三維激光制備過程中的三維精確平移[20,21],就能實(shí)現(xiàn)從二維平面圖形到三維立體結(jié)構(gòu)的豐富形變,所制備的結(jié)構(gòu)在連續(xù)性、復(fù)雜性、幾何構(gòu)造演化、動(dòng)態(tài)調(diào)諧等方面顯示出獨(dú)特的優(yōu)勢[7].
在微納尺度實(shí)現(xiàn)剪紙形變的手段主要分為應(yīng)力控制形變和機(jī)械引導(dǎo)形變.其中應(yīng)力控制的折疊、彎曲等現(xiàn)象本質(zhì)是利用不同應(yīng)力作用到不同區(qū)域,為達(dá)到最后的應(yīng)力平衡使得結(jié)構(gòu)發(fā)生形變.因此要實(shí)現(xiàn)預(yù)期的結(jié)構(gòu)形變,關(guān)鍵是要對結(jié)構(gòu)施加合適的應(yīng)力.而針對環(huán)境和材料的差異,在微納尺度結(jié)構(gòu)上施加應(yīng)力的方法可分為毛細(xì)作用力[22?26]、薄膜殘余應(yīng)力[27?30]、主動(dòng)材料法[31?36]等,如圖2(a)所示[16].例如,對于不同材料堆疊而成的多層薄膜,當(dāng)用腐蝕等方法移除底部的犧牲層后,懸空的結(jié)構(gòu)因殘余應(yīng)力的存在會(huì)發(fā)生自行卷曲形變(圖2(c))[28,37];對于主動(dòng)材料,通過改變溫度、濕度等參數(shù),可以使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生空間上的非均勻應(yīng)力分布,從而使二維圖案形變得到三維結(jié)構(gòu)(圖2(d))[32,38].此外,通過對結(jié)構(gòu)進(jìn)行拉拽等機(jī)械手段也可實(shí)現(xiàn)對形變的精確控制,得到復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu).例如,2015年張一慧課題組[39]先在襯底上做好預(yù)先設(shè)計(jì)的二維圖案,再轉(zhuǎn)移到一張預(yù)拉伸的襯底上進(jìn)行局部固定,襯底被釋放后發(fā)生收縮,導(dǎo)致二維圖案隆起形成復(fù)雜多樣的三維結(jié)構(gòu)(圖2(e)).同年,Blees等[13]將石墨烯裁剪成各種典型的剪紙結(jié)構(gòu),利用機(jī)械探針、激光誘導(dǎo)或磁場調(diào)控等方法,完成了石墨烯從二維到三維的剪紙形變過程,如圖2(f)所示.最近,高鴻鈞課題組[40]在低溫下利用掃描隧道顯微鏡操縱石墨烯,可沿任意方向?qū)κ┘{米島進(jìn)行反復(fù)折疊和伸展,最終成功將石墨烯加工成原子級(jí)精確度的復(fù)雜“折紙”結(jié)構(gòu)(圖2(g)).
由此可見,利用剪紙/折紙形變構(gòu)筑新的結(jié)構(gòu)正逐漸形成一個(gè)獨(dú)特的研究領(lǐng)域,但在微納尺度,這類研究還面臨諸多挑戰(zhàn).這是因?yàn)?以往的在微納尺度上的剪紙/折紙技術(shù),首先要預(yù)先設(shè)計(jì)好結(jié)構(gòu)形貌和應(yīng)力施加方案,再經(jīng)過一系列不可逆的工序形成微納結(jié)構(gòu),中間步驟很難修改、添加或刪除.因此實(shí)現(xiàn)片上、原位、可控的三維納米剪紙成了很多科研學(xué)者追求的新目標(biāo).基于前期的探索工作[41,42],為展現(xiàn)納米剪紙?jiān)谌S微納加工方面的卓越能力及其應(yīng)用潛力,為國內(nèi)同行提供一定的研究參考,本文著重介紹和總結(jié)基于聚焦離子束(focusedionbeam,FIB)輻照的納米剪紙加工原理、技術(shù)及其應(yīng)用.對以往的基于FIB折疊/彎曲的研究工作(即下文的“樹型”納米剪紙)進(jìn)行總結(jié),重點(diǎn)介紹了近期發(fā)展的基于結(jié)構(gòu)拓?fù)湫蚊惨龑?dǎo)的納米剪紙概念(即下文的“閉環(huán)”納米剪紙),并采用這兩種類型的加工方法制備幾何形貌豐富的三維微納結(jié)構(gòu).更重要的是這些納米剪紙結(jié)構(gòu)具有的獨(dú)特光學(xué)效應(yīng),如多重法諾(Fano)共振及其強(qiáng)耦合作用,超光學(xué)手性,超構(gòu)表面衍射、相位和偏振特性以及光子自旋霍爾效應(yīng)(photonicspinHalleffect,PSHE)等.這些研究及制備的納米結(jié)構(gòu)可以為發(fā)展多功能三維制造技術(shù)(如三維納米智能制造、新型4D打印等)、表面等離激元光學(xué)、納米光子學(xué)、光力學(xué)、微納機(jī)電系統(tǒng)等提供新的技術(shù)支持和研究思路.
2基于聚焦離子束的三維納米折疊/剪紙
制造技術(shù)的微納米尺度化賦予了微觀結(jié)構(gòu)新的物理特性,伴隨著人工微納結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的迅速發(fā)展和微納器件應(yīng)用需求的不斷提高,微納制造技術(shù)向三維空間擴(kuò)展成為一種必要和必然的趨勢.然而,傳統(tǒng)的自上而下和自下而上的半導(dǎo)體工藝、納米顆粒自組裝技術(shù),以及三維激光直寫等技術(shù),遵循的是一種線性序列,大部分通過逐層加工二維平面來堆疊三維空間或三維逐點(diǎn)加工構(gòu)建立體結(jié)構(gòu),工藝的復(fù)雜度和結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度成正比.而將FIB作為加工手段引入到三維納米折疊/剪紙技術(shù)中來,可形成獨(dú)特的從二維平面到三維立體結(jié)構(gòu)的形變科學(xué),從而突破傳統(tǒng)三維微納制造的線性累加思維,在結(jié)構(gòu)的連續(xù)性、復(fù)雜性、幾何構(gòu)造演化、動(dòng)態(tài)調(diào)諧等方面顯示出巨大的發(fā)展空間和應(yīng)用潛能.本節(jié)首先從原理和應(yīng)用兩部分對FIB納米剪紙技術(shù)進(jìn)行簡單介紹,進(jìn)一步深入討論利用FIB所構(gòu)建的納米剪紙的類型以及結(jié)構(gòu)變形的不同特性.
2.1聚焦離子束微納加工簡介
FIB系統(tǒng)中液態(tài)金屬離子源產(chǎn)生的離子經(jīng)過高壓抽取和加速后,可通過電透鏡和偏轉(zhuǎn)透鏡照射到樣品表面的指定位置,在撞擊過程中可剝離樣品表面的原子達(dá)到切割或研磨的目的,最終實(shí)現(xiàn)微納米結(jié)構(gòu)的加工.文獻(xiàn)[43]中,基于FIB納米剪紙的主要工具是標(biāo)準(zhǔn)的FIB刻蝕系統(tǒng),即一臺(tái)雙光束FIB/SEM系統(tǒng)(FEIHelios600i),其液態(tài)離子源為鎵(Ga)離子,加速電壓為8—30kV,束流從24—80pA(實(shí)際上,納米剪紙的必要條件是獲得一定形式的應(yīng)力分布,在具體設(shè)備方面具有通用性.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,其他形式的離子源,如氦離子源刻蝕系統(tǒng),也能夠?qū)崿F(xiàn)類似的功能).長久以來,FIB作為一種納米加工手段,在使用的過程中往往伴隨著殘余應(yīng)力、表面損傷、離子注入等難以避免的現(xiàn)象.而納米剪紙方法卻正是充分利用這種由鎵離子和金膜碰撞而產(chǎn)生的“不希望的”殘余應(yīng)力來改變樣品的表面形貌,實(shí)現(xiàn)微納米結(jié)構(gòu)的直接無掩模加工[43].具體來說,如圖3(a)所示,當(dāng)金納米薄膜(本文中為自支撐的金納米薄膜,厚度為80nm[43])受到高能離子束照射時(shí),會(huì)發(fā)生若干物理過程,主要過程可總結(jié)為以下四方面[43,44]:1)一些金原子被濺射離開表面從而產(chǎn)生空隙,剩余的金原子發(fā)生顆粒聚合[45,46],導(dǎo)致在薄膜表面附近產(chǎn)生張應(yīng)力;2)一些鎵離子被注入到金膜內(nèi)部,產(chǎn)生壓應(yīng)力;3)鎵離子的撞擊使得一些未被濺射出的金原子發(fā)生位移;4)金原子和鎵原子發(fā)生再沉積現(xiàn)象.SRIM軟件可用于模擬預(yù)測空隙和注入的鎵離子的范圍[43].如圖3(c)和圖3(d)所示,在30kV電壓下,加速的鎵離子撞擊到金膜上,使在接近表面的20nm范圍內(nèi)存在注入的離子和產(chǎn)生的空隙.即FIB對一定距離的金膜影響較大,但底層金膜幾乎不受直接影響.用圖3(b)中的雙層應(yīng)力模型來描述在離子束輻照下金膜的受力分布情況[43].考慮到表層金膜受各種物理過程的綜合影響且受直接影響的厚度很薄(<20nm),可用一個(gè)均勻分布的等效張應(yīng)力進(jìn)行描述.而底層金膜主要因?yàn)楸韺咏鹉らg接帶動(dòng)發(fā)生彈性形變,因此具有從上到下的梯度應(yīng)力.在該模型中,由于張應(yīng)力占主導(dǎo)地位,于是受到FIB全局輻照后的舌型結(jié)構(gòu)向上彎曲,如圖3(e)所示[43].理論計(jì)算出的結(jié)果與實(shí)際的彎曲完全一致,充分說明該模型的準(zhǔn)確性.
自20世紀(jì)80年代離子束系統(tǒng)被成功應(yīng)用于半導(dǎo)體行業(yè)以來,FIB技術(shù)已成為亞微米制造和無掩模工藝的有效方法之一[47,48].在利用FIB進(jìn)行實(shí)際的納米加工過程中,人們發(fā)現(xiàn)經(jīng)過掃描的一些地方會(huì)意外出現(xiàn)缺陷、損傷或不良應(yīng)力,因此,人們在使用FIB時(shí)通常都要盡量避免額外的離子束掃描.然而,Yoshida等[49]將這一缺點(diǎn)充分利用起來,在2005年展示了FIB導(dǎo)致納米結(jié)構(gòu)彎曲的現(xiàn)象(圖4(b)).接下來,2006年P(guān)ark等[50]利用FIB實(shí)現(xiàn)了碳納米管的彎曲(圖4(c));同年北京大學(xué)吳文剛課題組[51]使用該方法在懸空薄膜上制備出了三維螺旋(圖4(d))和立方框架結(jié)構(gòu);2007年麻省理工學(xué)院Arora等[44,52]系統(tǒng)地研究了基于FIB的三維形變折疊工藝(圖4(e)).這些研究表明,自支撐薄膜上的FIB輻照可以使得納米結(jié)構(gòu)發(fā)生折疊和重組[37,50,51,53?60],如圖4(f)—(i)所示[54,55,57],意味著FIB有可能成為納米尺度剪紙形變過程的“納米手”.但由于缺乏實(shí)際應(yīng)用,該技術(shù)在隨后的數(shù)年里發(fā)展緩慢.直到2015年中國科學(xué)院物理所微加工實(shí)驗(yàn)室崔阿娟等將該技術(shù)首次應(yīng)用于構(gòu)建近紅外波段的三維超構(gòu)材料[57],如圖5(a)和圖5(b)所示,展示了該方法在光學(xué)波段的首次應(yīng)用,從而激發(fā)了大家利用該技術(shù)發(fā)展光學(xué)應(yīng)用的極大興趣,陸續(xù)制備出具有多重Fano共振[58,60,61]、光的選擇性傳輸(圖5(c))[62]、中紅外光開關(guān)(圖5(d))[59]、環(huán)偶極子共振(圖5(e)和圖5(f))[60,63]等優(yōu)異光學(xué)性能的三維微納結(jié)構(gòu).然而,所有這些方法以及它們的應(yīng)用都未提出或論證“納米剪紙”的概念.這主要因?yàn)榇祟愓郫B過程比較簡單,人們可以輕易預(yù)測折疊產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)效果,無需引入其他概念;同時(shí),大家在這類研究中采用的依然是一種串行的線性加工思維,即結(jié)構(gòu)各形變部位之間相互獨(dú)立,與剪紙加工思維大相徑庭.
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